[发明专利]无污电弧定向气相沉积（SA-DVD）及其相关方法

说明书

相关申请

本申请要求于2010年5月6日提交的题为“Spotless Arc Activated Directed Vapor Deposition Concept and Implementation Thereof”的序号为No. 61/331,844的美国临时申请以及于2010年7月22日提交的题为“Spotless Arc Activated Directed Vapor Deposition Concept and Implementation Thereof”的序号为No. 61/366,711的美国临时申请的优先权，通过引用将上述美国临时申请的公开内容整体地并入本文中。

技术领域

本发明总体上涉及从点状蒸气源的物理气相沉积的领域。更具体地说，本发明处于等离子体辅助定向气相沉积的子领域。

背景技术

定向气相沉积（DVD）是一种物理气相沉积（PVD）工艺，其将低真空电子束（EB）蒸发与流动气体流（气体射流）中的蒸气夹带组合以将一个或多个蒸发剂有效地沉积在基板上。等离子体激活定向气相沉积（PA-DVD）是一种PVD技术，其将电子束与等离子形成技术组合以允许产生受控成分、结构和残余应力的涂层。在PA-DVD的先前实施例中，通过空心阴极放电来产生等离子体。在该工艺中，一起被容易电离的惰性气体射流携带的低电压电子被注射到寻求等离子体激活的区域中。注射可以以与夹带蒸气的气体射流成任何角度地发生。将形成等离子体的气体射流与夹带蒸气的气体射流对齐的共轴概念对于许多应用是优选的。

然而，DVD工艺借助空心阴极放电的等离子体激活存在几个缺点。第一，从空心阴极发射的等离子体源的工作气体形成高速射流，该高速射流的轴通常与蒸气输运的方向成一定角度。通过空心阴极的工作气体射流可能将在蒸气输运射流中夹带的缓慢移动的或轻的（即低动量）蒸气粒子从基板散射开，尤其是当与输运蒸气的射流垂直地取向时。第二，该方式需要使用相当大的等离子体工作气体流速，其具有不利的经济后果：除了气体消耗之外，它还需要更强大的输运蒸气的载运气体射流，并且因此需要更高容量的抽气系统。第三，空心阴极等离子体源及其供给和控制单元对于维护是昂贵且费力的。例如，在现有装置中辐射加热器线圈用于启动放电。这些加热器经受频繁故障，导致需要更换。第四，加热器并且还有空心阴极本身的缓慢但是稳定的汽化（由于它们的高操作温度和离子撞击）产生污染物，所述污染物被并入所沉积的层中。应当注意DVD工艺的由于空心阴极放电的这最后四个缺点甚至在较新的将空心阴极放电与蒸气输运对齐的空心阴极技术中也有效。

存在对用于DVD工艺的改善的等离子体激活设备和方法的需要，以便消除现有的基于空心阴极的等离子体激活方案的缺点并开发用于高速、经济且洁净的沉积的新方式。

发明内容

本发明的实施例的一个方面提供一种等离子体辅助定向气相沉积工艺，其利用无污电弧定向气相沉积（SA-DVD）方法来在定向气相沉积设备中产生等离子体。通过电子或其他高强度定向能量束蒸发由被包含在水冷却坩埚中的一个或多个源材料产生蒸气。该蒸气被夹带在跨音速氦或其他气体射流中并被输运到基板用于沉积。用于蒸发的电子或其他定向能量束被同时用于微弱地电离所述蒸气和形成射流的气体（氦气，或包括惰性气体和反应气体的组合的其他气体）。被布置并放置在电子束撞击位置附近且连接到电源的阳极吸引在定向能量束与靶表面的相互作用期间形成的散射电子，并使得能够形成朝向用作阴极的蒸发剂的表面燃烧的电弧放电。电弧放电促进了密度高的等离子体。首先借助通过离子拖拽机制的夹带蒸气的气体射流朝向基板来输运该等离子体。然而，如果基板是充分带电的（被电偏置），则等离子体离子被朝向基板静电加速，并且该额外的动量有助于在部件表面上的沉积和蒸气输运。由于没有形成等离子体的气体被注射到沉积中，本发明的实施例的该方面因此克服了许多与使用共轴空心阴极用于DVD工艺中的等离子体激活相关联的问题，并导致产生低成本等离子体辅助概念。代替地，载运气体射流用于夹带蒸气羽（vapor plume）作为该工艺的一部分。

本发明的实施例的一个方面因此克服了许多与使用共轴空心阴极用于DVD工艺中的等离子体激活相关联的问题。例如，本发明的一些实施例的方面中的一些可以与下述有关：

· 所描述的电弧放电在所蒸发的材料的蒸气中以及在气体射流中燃烧，由此避免了附加等离子体工作气体不得不被释放到沉积室中。电弧等离子体被局部化并且与蒸气流的形状和传播对齐。这样，没有出现定向蒸气羽的有害特性。